CN109540654A - 一种脆性纤维拉伸试样窗卡及其使用方法 - Google Patents

一种脆性纤维拉伸试样窗卡及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种脆性纤维拉伸试样窗卡及其使用方法，属于纤维拉伸试验工具设计技术领域。本发明针在采用传统“回”字形试样窗卡对短标距脆性纤维进行夹持的过程中容易由于两侧“剪开”过程导致纤维横向脆断的问题，通过在窗卡上设置缓冲区的方法阻断了“剪断”过程切应力向纤维和向拉伸卡具的传递，有效避免小标距脆性纤维在夹持过程中的断裂，从而达到大大提高短标距脆性纤维拉伸试样夹持成功率的目的。

Description

一种脆性纤维拉伸试样窗卡及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种脆性纤维拉伸试样窗卡及其使用方法，属于纤维拉伸试验工具设计技术领域。
背景技术
陶瓷纤维、玻璃纤维、矿物纤维、碳纤维，甚至部分金属类或者合金纤维都属于脆性纤维，这些类型的纤维都具有强度高、变形小并且易断裂的特征。该种纤维表现为拉伸强度非常大，但是剪切强度远小于拉伸强度，因此若是在拉伸测试过程中，特别是试样装卡过程中引入压缩、弯曲、扭转或者非轴向的拉伸应力都有可能使得纤维发生损坏或断裂。因此，与柔性纤维不同，该类脆性纤维的拉伸测试不能直接夹持在预定标距的两个卡具之间，原因除了在夹持过程中容易因产生弯曲、扭转等发生断裂以外，还因为卡具夹头直接对纤维的夹持会使得在应力在钳口处产生集中，测试过程容易在此处断裂，无法反应纤维真实的力学性能。因此，在实验过程中，借助窗卡对纤维进行相应的形变处理。窗卡是一种纤维拉伸试验中用于固定纤维，方便纤维在夹具上进行拉伸的实验工具。
脆性纤维由于其较大的脆性，容易在不同位置产生微裂纹等，故拉伸性能测试时，若脆性纤维拉伸试样标距较短，则在“剪开”窗卡两侧的过程中，一方面，剪刀施加在“剪开”位置的应力会导致窗卡变形，并通过窗卡传递到纤维上，产生作用在纤维上的横向切应力而导致纤维断裂；另一方面，剪刀施加在剪开位置的应力会传递到卡具上，导致卡具震动而产生横向切应力，作用在纤维上同样容易造成纤维断裂。
发明内容
本发明为了解决现有窗卡在纤维拉伸试验过程中容易造成纤维断裂的问题，提出了一种脆性纤维拉伸试样窗卡及其使用方法。具体的：
一种脆性纤维拉伸试样窗卡，所采取的技术方案如下：
所述窗卡采用卡片结构，所述窗卡片体均作为夹持区；所述窗卡片体上设有矩形通口和四个缓冲区；四个所述缓冲区两两一组以矩形通口宽边上的中心线为对称轴对称设置在矩形通口的两条长边上；一组中的两个缓冲区以矩形通口长边上的中心线位对称轴对称设置在与其对应的矩形通口长边上；四个所述缓冲区均为通口结构；所述缓冲区与所述矩形通口相通；所述矩形通口的两条上边中间段未与缓冲区相通的位置上设有纤维粘结区域；所述矩形通口的短边长度为所述窗卡的标距。
进一步地，所述缓冲区的靠近矩形通口宽边的口沿与矩形通口宽边在同一直线上；四个所述缓冲区的尺寸相同。
进一步地，所述缓冲区采用直角三角形通口结构；所述直角三角形通口的一条通口直角边与所述矩形通口长边相通，所述直角三角形通口的另一条通口直角边的长度大于所述矩形通口宽边的长度。进一步地，直角三角形通口结构的所述缓冲区面积SR范围为：0≤SR≤(a/2-c-L0/2)×(3/4b-2d)/4，其中，所述a为窗卡长边，b为窗卡宽度，d为所述矩形通口的宽边到所述窗卡长边的距离；c为缓冲区尖端至窗卡端部距离；L0为纤维试样标距。
进一步地，所述缓冲区采用直角梯形通口结构；所述直角梯形通口的一条直角边与所述矩形通口长边相通，所述直角梯形通口的另一条直角边的长度大于所述矩形通口宽边的长度；所述直角梯形通口结构的缓冲区面积范围为：0≤SR＜(a/2-c-L0/2)×(3/4b-2d)/2，其中，所述a为窗卡长边，b为窗卡宽度，d为所述矩形通口的宽边到所述窗卡长边的距离；c为缓冲区尖端至窗卡端部距离；L0为纤维试样标距。
进一步地，所述缓冲区采用缓冲区矩形通口结构；所述缓冲区矩形通口的宽边与所述矩形通口长边相通，所述缓冲区矩形通口的长边的长度大于所述矩形通口宽边的长度；所述矩形通口结构的缓冲区面积范围为：0≤SR≤(a/2-c-L0/2)×(3/4b-2d)/2，其中，所述a为窗卡长边，b为窗卡宽度，d为所述矩形通口的宽边到所述窗卡长边的距离；c为缓冲区尖端至窗卡端部距离；L0为纤维试样标距。
进一步地，所述窗卡采用250～300g/m2之间的纸卡，所述窗卡长度a＝330-350mm，宽度b＝100-120mm。
进一步地，所述矩形通口的宽边与所述窗卡长边平行；所述矩形通口的宽边到所述窗卡长边的距离d的范围为：d/b＝1/8-1/6，其中，b为所述窗卡的宽度。
进一步地，所述纤维粘结区域的宽度e的范围为：1/4b≤e≤b-2d。
一种权利要求1所述脆性纤维拉伸试样窗卡的使用方法，所采取的技术方案如下：
所述使用方法包括：
步骤一、确定窗卡的形状尺寸，具体为：所述窗卡的缓冲区采用直角三角形通口结构，所述窗卡的尺寸为：窗卡长度a＝330-350mm，窗卡宽度b＝100-120mm，纤维试样中点位于窗卡长度方向中点位置；所述矩形通口的宽边到所述窗卡长边的距离d的范围为：d/b＝1/8-1/6；所述纤维粘结区域的宽度e的范围为：1/4b≤e≤b-2d；4个三角缓冲区尺寸相同，其面积SR满足：0≤SR≤(a/2-c-L0/2)×(3/4b-2d)/2，其中L0为纤维试样标距，c为缓冲区尖端至窗卡端部距离；
步骤二、采用250～300g/m2之间的纸卡制作窗卡；根据步骤一确定的窗卡形状尺寸，在纸卡上绘制窗卡形状，确定纤维标距L0为2mm或5mm，以长度方向中线为对称轴，以L0为宽度，e为长度，窗卡内部绘制出矩形通口中间段轮廓；利用11#手术刀替代剪纸刀刻出窗卡形状，获得试样窗卡；
步骤三、纤维试样粘结：画出窗卡宽度方向中线，即为纤维放置的位置；将纤维置于该位置后，将强力胶滴在纤维与窗卡接触位置(如图1中黏结点位置)，胶的扩散面积不宜太大，随后将长为2e，宽为e的矩形卡纸覆盖于黏结点，长度方向与纤维平行，保持端面平齐，轻压后静置5min以上，待胶固化后即得到带有纤维的试样窗卡；为防止纤维在拉伸过程中与胶产生界面脱粘，需选择与纤维润湿性较好且黏结性较强的速干胶；
步骤四、纤维拉伸试样夹持：DMA设备拉伸卡具上卡具固定，下卡具可上下移动。首先将带有纤维的试样窗卡一端夹持在DMA设备的上卡具，随后上下移动DMA设备的下卡具至与所述试样窗卡匹配位置，将试样窗卡另一端夹持在下卡具上，保证上下卡具间距大于L0且缓冲区全部或者大部分位于上下卡具之间；对于强度大于200MPa的纤维的纤维，为防止纤维在拉伸过程中由于强度过大而与胶产生界面脱粘的现象，将上下卡具夹持在矩形覆盖卡纸区域内，保证纤维被拉伸卡具夹持；最后，在图1(b)中斜线阴影所示“可剪断位置”中被夹持在上下卡具之间部分的任意位置将窗卡剪开，加载进行拉伸性能测试即可。
本发明有益效果：
本发明提出的一种脆性纤维拉伸试样窗卡及其使用方法，其在纤维拉伸试验过程中避免了纤维断裂情况的发生，并将纤维的断裂率降到0，极大程度上提高了纤维试验的成功了，降低了试验成本。本发明提出的一种脆性纤维拉伸试样窗卡及其使用方法完全保证了纤维试验的顺利完成，以及提高了纤维试验的准确性。
附图说明
图1为窗卡结构示意图，其中，(a)为传统窗卡结构示意图，(b)为本发明所述试样窗卡结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
本实施例针在采用传统“回”字形试样窗卡对短标距脆性纤维进行夹持的过程中容易由于两侧“剪开”过程导致纤维横向脆断的问题，提出一种带有“缓冲区”的新型拉伸试样窗卡。本实施例提出的“缓冲区”的存在阻断了“剪断”过程切应力向纤维和向拉伸卡具的传递，有效避免小标距脆性纤维在夹持过程中的断裂，从而达到大大提高短标距脆性纤维拉伸试样夹持成功率的目的。具体的：
一种脆性纤维拉伸试样窗卡，如图1(b)所示，所述窗卡采用卡片结构，所述窗卡片体均作为夹持区；所述窗卡片体上设有矩形通口和四个缓冲区；四个所述缓冲区两两一组以矩形通口宽边上的中心线为对称轴对称设置在矩形通口的两条长边上；一组中的两个缓冲区以矩形通口长边上的中心线位对称轴对称设置在与其对应的矩形通口长边上；四个所述缓冲区均为通口结构；所述缓冲区与所述矩形通口相通；所述矩形通口的两条上边中间段未与缓冲区相通的位置上设有纤维粘结区域；所述矩形通口的短边长度为所述窗卡的标距。所述缓冲区的靠近矩形通口宽边的口沿与矩形通口宽边在同一直线上；四个所述缓冲区的尺寸相同。所述窗卡采用250～300g/m2之间的纸卡，所述窗卡长度a＝330-350mm，宽度b＝100-120mm。所述矩形通口的宽边与所述窗卡长边平行；所述矩形通口的宽边到所述窗卡长边的距离d的范围为：d/b＝1/8-1/6，其中，b为所述窗卡的宽度。同时，所述纤维粘结区域的宽度e的范围为：1/4b≤e≤b-2d，其中，最小值的设定是为了保证窗卡的刚度，最大值的设定说明缓冲区的面积可为0，即仅一条缓冲线也可起到阻断应力传递的效果。
所述缓冲区采用直角三角形通口结构、直角梯形通口结构或缓冲区矩形通口结构。其中，所述缓冲区的面积范围为：0≤SR≤(a/2-c-L0/2)×(3/4b-2d)/2；其中，所述a为窗卡长边，b为窗卡宽度，d为所述矩形通口的宽边到所述窗卡长边的距离；c为缓冲区尖端至窗卡端部距离；L0为纤维试样标距。具体的：
直角三角形通口结构的所述缓冲区面积SR范围为：0≤SR≤(a/2-c-L0/2)×(3/4b-2d)/4，其中，所述a为窗卡长边，b为窗卡宽度，d为所述矩形通口的宽边到所述窗卡长边的距离；c为缓冲区尖端至窗卡端部距离；L0为纤维试样标距。
所述缓冲区采用直角梯形通口结构；所述直角梯形通口的一条直角边与所述矩形通口长边相通，所述直角梯形通口的另一条直角边的长度大于所述矩形通口宽边的长度；所述直角梯形通口结构的缓冲区面积范围为：0≤SR＜(a/2-c-L0/2)×(3/4b-2d)/2，其中，所述a为窗卡长边，b为窗卡宽度，d为所述矩形通口的宽边到所述窗卡长边的距离；c为缓冲区尖端至窗卡端部距离；L0为纤维试样标距。
所述缓冲区采用缓冲区矩形通口结构；所述缓冲区矩形通口的宽边与所述矩形通口长边相通，所述缓冲区矩形通口的长边的长度大于所述矩形通口宽边的长度；所述矩形通口结构的缓冲区面积范围为：0≤SR≤(a/2-c-L0/2)×(3/4b-2d)/2，其中，所述a为窗卡长边，b为窗卡宽度，d为所述矩形通口的宽边到所述窗卡长边的距离；c为缓冲区尖端至窗卡端部距离；L0为纤维试样标距。
图1(a)和图1(b)分别为传统“回”字形试样窗卡和本发明所设计的带有“缓冲区”的试样窗卡的示意图。由图可见，本实施例设计的窗卡与传统的“回”字形窗卡相比在纤维四周多了4个三角形“缓冲区”。值得注意的是，缓冲区的形状并不一定是三角形，也可演化成梯形甚至是矩形，如图1(b)左上角“缓冲区”周围横竖线条阴影部分中所示，可沿箭头方向将“缓冲区”扩展成梯形甚至是矩形，但是从窗卡制备的简易程度和对窗卡刚度的保持方面考虑，三角形“缓冲区”更简易方便。由于“缓冲区”的存在，在窗卡两侧“可剪断位置”的任意位置“剪断”窗卡的过程中，剪刀带给“剪断”位置的应力由于缓冲区的存在无法传递给纤维或者是卡具，避免了纤维受到横向切应力而断裂。
本实施例提出的一种脆性纤维拉伸试样窗卡，其在纤维拉伸试验过程中避免了纤维断裂情况的发生，并将纤维的断裂率降到0，极大程度上提高了纤维试验的成功了，降低了试验成本。本发明提出的一种脆性纤维拉伸试样窗卡及其使用方法完全保证了纤维试验的顺利完成，以及提高了纤维试验的准确性。
实施例2
本实施例以Ni-Mn-Ga纤维在Q800型号动态热机械分析仪(DMA)上的拉伸性能测试来说明试样窗卡的设计与使用方法。具体的，一种权利要求1所述脆性纤维拉伸试样窗卡的使用方法，所述使用方法包括：
步骤一、确定窗卡的形状尺寸，具体为：所述窗卡的缓冲区采用直角三角形通口结构，所述窗卡的尺寸为：窗卡长度a＝330-350mm，窗卡宽度b＝100-120mm，纤维试样中点位于窗卡长度方向中点位置；所述矩形通口的宽边到所述窗卡长边的距离d的范围为：d/b＝1/8-1/6；所述纤维粘结区域的宽度e的范围为：1/4b≤e≤b-2d；4个三角缓冲区尺寸相同，其面积SR满足：0≤SR≤(a/2-c-L0/2)×(3/4b-2d)/2，其中L0为纤维试样标距，c为缓冲区尖端至窗卡端部距离；其中，4个三角缓冲区尖端至窗卡端部距离c可根据设计的拉伸卡具夹持样品的位置调节，保证缓冲区全部或者部分位于上下卡具之间，从而起到缓冲的目的。
步骤二、采用250～300g/m2之间的纸卡制作窗卡；根据步骤一确定的窗卡形状尺寸，在纸卡上绘制窗卡形状；为尽量减少纤维中缺陷对拉伸性能的影响，确定纤维标距L0为2mm或5mm，以长度方向中线为对称轴，以L0为宽度，e为长度，窗卡内部绘制出矩形通口中间段轮廓；为保证卡纸不变形，利用11#手术刀替代剪纸刀刻出窗卡形状，获得试样窗卡；
步骤三、纤维试样粘结：画出窗卡宽度方向中线，即为纤维放置的位置；将纤维置于该位置后，将强力胶滴在纤维与窗卡接触位置(如图1中黏结点位置)，胶的扩散面积不宜太大，随后将长为2e，宽为e的矩形卡纸覆盖于黏结点，长度方向与纤维平行，保持端面平齐，轻压后静置5min以上，待胶固化后即得到带有纤维的试样窗卡；为防止纤维在拉伸过程中与胶产生界面脱粘，需选择与纤维润湿性较好且黏结性较强的速干胶；
步骤四、纤维拉伸试样夹持：DMA设备拉伸卡具上卡具固定，下卡具可上下移动。首先将带有纤维的试样窗卡一端夹持在DMA设备的上卡具，随后上下移动DMA设备的下卡具至与所述试样窗卡匹配位置，将试样窗卡另一端夹持在下卡具上，保证上下卡具间距大于L0且缓冲区全部或者大部分位于上下卡具之间；对于强度大于200MPa的纤维，为防止纤维在拉伸过程中由于强度过大而与胶产生界面脱粘的现象，将上下卡具夹持在矩形覆盖卡纸区域内，保证纤维被拉伸卡具夹持；最后，在图1(b)中斜线阴影所示“可剪断位置”中被夹持在上下卡具之间部分的任意位置将窗卡剪开，加载进行拉伸性能测试即可。
本实施例提出的一种脆性纤维拉伸试样窗卡的使用方法，其在纤维拉伸试验过程中避免了纤维断裂情况的发生，并将纤维的断裂率降到0，极大程度上提高了纤维试验的成功了，降低了试验成本。本发明提出的一种脆性纤维拉伸试样窗卡及其使用方法完全保证了纤维试验的顺利完成，以及提高了纤维试验的准确性。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种脆性纤维拉伸试样窗卡，其特征在于，所述窗卡采用卡片结构，所述窗卡片体均作为夹持区；所述窗卡片体上设有矩形通口和四个缓冲区；四个所述缓冲区两两一组以矩形通口宽边上的中心线为对称轴对称设置在矩形通口的两条长边上；一组中的两个缓冲区以矩形通口长边上的中心线位对称轴对称设置在与其对应的矩形通口长边上；四个所述缓冲区均为通口结构；所述缓冲区与所述矩形通口相通；所述矩形通口的两条上边中间段未与缓冲区相通的位置上设有纤维粘结区域；所述矩形通口的短边长度为所述窗卡的标距。
2.根据权利要求1所述脆性纤维拉伸试样窗卡，其特征在于，所述缓冲区的靠近矩形通口宽边的口沿与矩形通口宽边在同一直线上；四个所述缓冲区的尺寸相同。
3.根据权利要求1所述脆性纤维拉伸试样窗卡，其特征在于，所述缓冲区采用直角三角形通口结构；所述直角三角形通口的一条通口直角边与所述矩形通口长边相通，所述直角三角形通口的另一条通口直角边的长度大于所述矩形通口宽边的长度。
4.根据权利要求3所述脆性纤维拉伸试样窗卡，其特征在于，直角三角形通口结构的所述缓冲区面积SR范围为：0≤SR≤(a/2-c-L0/2)×(3/4b-2d)/4，其中，所述a为窗卡长边，b为窗卡宽度，d为所述矩形通口的宽边到所述窗卡长边的距离；c为缓冲区尖端至窗卡端部距离；L0为纤维试样标距。
5.根据权利要求1所述脆性纤维拉伸试样窗卡，其特征在于，所述缓冲区采用直角梯形通口结构；所述直角梯形通口的一条直角边与所述矩形通口长边相通，所述直角梯形通口的另一条直角边的长度大于所述矩形通口宽边的长度；所述直角梯形通口结构的缓冲区面积范围为：0≤SR＜(a/2-c-L0/2)×(3/4b-2d)/2，其中，所述a为窗卡长边，b为窗卡宽度，d为所述矩形通口的宽边到所述窗卡长边的距离；c为缓冲区尖端至窗卡端部距离；L0为纤维试样标距。
6.根据权利要求1所述脆性纤维拉伸试样窗卡，其特征在于，所述缓冲区采用缓冲区矩形通口结构；所述缓冲区矩形通口的宽边与所述矩形通口长边相通，所述缓冲区矩形通口的长边的长度大于所述矩形通口宽边的长度；所述矩形通口结构的缓冲区面积范围为：0≤SR≤(a/2-c-L0/2)×(3/4b-2d)/2，其中，所述a为窗卡长边，b为窗卡宽度，d为所述矩形通口的宽边到所述窗卡长边的距离；c为缓冲区尖端至窗卡端部距离；L0为纤维试样标距。
7.根据权利要求1所述脆性纤维拉伸试样窗卡，其特征在于，所述窗卡采用250～300g/m2之间的纸卡，所述窗卡长度a＝330-350mm，宽度b＝100-120mm。
8.根据权利要求1所述脆性纤维拉伸试样窗卡，其特征在于，所述矩形通口的宽边与所述窗卡长边平行；所述矩形通口的宽边到所述窗卡长边的距离d的范围为：d/b＝1/8-1/6，其中，b为所述窗卡的宽度。
9.根据权利要求1所述脆性纤维拉伸试样窗卡，其特征在于，所述纤维粘结区域的宽度e的范围为：1/4b≤e≤b-2d。
10.一种权利要求1所述脆性纤维拉伸试样窗卡的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括：
步骤一、确定窗卡的形状尺寸；
步骤二、采用250～300g/m2之间的纸卡制作窗卡；根据步骤一确定的窗卡形状尺寸，在纸卡上绘制窗卡形状，确定纤维标距L0为2mm或5mm，以长度方向中线为对称轴，以L0为宽度，e为长度，窗卡内部绘制出矩形通口中间段轮廓；利用11#手术刀刻出窗卡形状，获得试样窗卡；
步骤三、纤维试样粘结：画出窗卡宽度方向中线，即为纤维放置的位置；将纤维置于该位置后，将强力胶滴在纤维与窗卡接触位置随后将长为2e，宽为e的矩形卡纸覆盖于黏结点，长度方向与纤维平行，保持端面平齐，轻压后静置5min以上，待胶固化后即得到带有纤维的试样窗卡；
步骤四、纤维拉伸试样夹持：首先将带有纤维的试样窗卡一端夹持在DMA设备的上卡具，随后上下移动DMA设备的下卡具至与所述试样窗卡匹配位置，将试样窗卡另一端夹持在下卡具上，保证上下卡具间距大于L0且缓冲区全部或者大部分位于上下卡具之间；对于强度大于200MPa的纤维，为防止纤维在拉伸过程中由于强度过大而与胶产生界面脱粘的现象，将上下卡具夹持在矩形覆盖卡纸区域内，保证纤维被拉伸卡具夹持；最后，在被夹持在上下卡具之间部分的任意位置将窗卡剪开，加载进行拉伸性能测试即可。
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